[논문 리뷰] Fabrication of highly dense isotropic Nd-Fe-B bonded magnets via extrusion-based additive manufacturing

Ling Li, Kodey Jones외 14명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 23.

Magnetic Properties of Alloys참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 70 vol.% 희토류 소재를 함유한 고밀도 등방성 Nd-Fe-B 접착 자석을 압출 기반 적층 제조로 제작하여 밀도 5.15 g/cm³, 강력한 자성 특성(Br = 5.8 kG, Hci = 8.9 kOe, (BH)max = 7.3 MGOe)을 달성하였다. 이 과정은 저감자 손실과 고분자 코팅을 통한 향상된 열안정성을 갖춘 대규모 복잡한 형상의 부품을 신속하게 네트셰이프로 제조할 수 있도록 한다.

ABSTRACT

Isotropic bonded magnets with a high loading fraction of 70 vol.% Nd-Fe-B are fabricated via an extrusion-based additive manufacturing, or 3D printing system that enables rapid production of large parts for the first time. The density of the printed magnet is 5.15 g/cm3. The room temperature magnetic properties are: intrinsic coercivity Hci = 8.9 kOe (708.2 kA/m), remanence Br = 5.8 kG (0.58 Tesla), and energy product (BH)max = 7.3 MGOe (58.1 kJ/m3). The as-printed magnets are then coated with two types of polymers, both of which improve the thermal stability at 127 °C as revealed by flux aging loss measurements. Tensile tests performed at 25 °C and 100 °C show that the ultimate tensile stress (UTS) increases with increasing loading fraction of the magnet powder, and decreases with increasing temperature. AC magnetic susceptibility and resistivity measurements show that the 3D printed Nd-Fe-B bonded magnets exhibit extremely low eddy current loss and high resistivity. Finally, we show that through back electromotive force measurements that motors installed with 3D printed Nd-Fe-B magnets exhibit similar performance as compared to those installed with sintered ferrites.

연구 동기 및 목표

• 고희토류 함량이 높은 대규모 등방성 Nd-Fe-B 접착 자석을 위한 확장 가능하고 빠른 제조 방법을 개발한다.
• 압출 기반 3D 프린팅을 이용해 적층 제조된 접착 자석에서 고밀도 및 최적의 자성 특성을 달성한다.
• 고온에서의 열안정성과 기계적 성능을 평가한다.
• 유도 전류 손실 및 전기 저항도를 포함한 전자기적 특성을 평가하여 모터 응용 가능성을 검토한다.
• 실제 모터 시스템에서의 功能성 성능을 배기 전압 측정을 통해 3D 프린팅된 자석의 성능을 입증한다.

제안 방법

• 압출 기반 적층 제조를 사용하여 70 vol.% Nd-Fe-B 소재를 함유한 등방성 Nd-Fe-B 접착 자석을 제작하였다.
• 맞춤형 3D 프린팅 장치를 통해 자석-고분자 푸르스트를 정밀하게 도포하여 근사 네트셰이프 형상의 부품을 제작하였다.
• 열안정성 향상과 산화 방지 기능을 위한 두 가지 유형의 고분자 코팅을 적용하였다.
• 자기적 특성은 진동 샘플 자석 측정기(VSM)를 사용해 실온에서 측정하였다.
• 유도 전류 손실 평가를 위해 교류 자기 일치도 및 전기 저항도를 측정하였다.
• 프로토타입 모터에서의 배기 전압(Back EMF) 측정을 통해 사출성 페라이트 자석과의 성능 비교를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압출 기반 적층 제조는 고희토류 함량과 고밀도를 갖춘 등방성 Nd-Fe-B 접착 자석을 제조할 수 있는가?
• RQ2 3D 프린팅된 자석의 자성 특성은 기존의 접착 자석과 사출 자석과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ3 고분자 코팅이 127 °C에서 인쇄된 Nd-Fe-B 자석의 열안정성을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ4 온도가 인쇄된 자석의 인장 강도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 3D 프린팅된 Nd-Fe-B 자석은 모터 응용에 적합한 저감자 손실과 높은 전기 저항도를 갖는가?

주요 결과

• 3D 프린팅된 등방성 Nd-Fe-B 접착 자석은 70 vol.% Nd-Fe-B 소재 함량으로 고밀도 5.15 g/cm³를 달성하였다.
• 자석은 실온에서 Br = 5.8 kG (0.58 T), Hci = 8.9 kOe (708.2 kA/m), (BH)max = 7.3 MGOe (58.1 kJ/m³)의 자성 특성을 보였다.
• 고분자 코팅은 127 °C에서 자력 노화 손실을 크게 감소시켜 열안정성이 향상되었음을 나타냈다.
• 최대 인장 강도는 소재 함량이 높을수록 증가하지만, 온도 상승, 특히 100 °C에서 감소하는 경향을 보였다.
• 자석은 극도로 낮은 유도 전류 손실과 높은 전기 저항도를 보였으며, 동적 전자기 응용에 적합함을 확인하였다.
• 배기 전압 측정 결과, 3D 프린팅된 Nd-Fe-B 자석을 사용한 모터는 사출성 페라이트 자석을 사용한 모터와 유사한 성능을 보였다.